7 ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
7. 1 7. 2 7. 3 7. 4 Классификация дисперсных систем. Параметры дисперсных систем. Способы выражения концентрации. Методы получения дисперсных систем. 7. 4. 1 Получение лиофильных дисперсных систем 7. 4. 2 Получение лиофобных дисперсных систем 7. 5 Методы очистки. 7. 6 Свойства дисперсных систем. 7. 6. 1 Молекулярно-кинетические свойства. 7. 6. 2 Оптические свойства. 7. 6. 3 Устойчивость дисперсных систем. 7. 6. 4 Нарушение устойчивости дисперсных систем. 7. 6. 5 Электрокинетические свойства
Дополнительная литература: 1. Мягченков В. А. Поверхностные явления и дисперсные системы. - М. : Колос. С, 2007. – 187 с. 2. Дерягин Б. В. «Успехи химии» , 1979, т. 48, вып. 4, с. 675 -721 3. www. youtube. com/watch? v=8 w 3 Ndyz. Fg. H 8 Дисперсная система (ДС) – это система, в которой хотя бы одно вещество находится в диспергированном (раздробленном) состоянии. Дисперсная фаза (ДФ) – это то, что находится в диспергированном состоянии. Дисперсионная среда – это сплошная однородная среда, в объеме которой распределена дисперсная фаза.
7. 1 Классификация дисперсных систем 1. По размеру частиц ДФ • молекулярно-ионные дисперсные системы Ø < 0, 001 мкм; • коллоидно-дисперсные системы 0, 001< Ø < 0, 1 мкм ; • микрогетерогенные системы 0, 1 < Ø < 10 мкм ; • грубодисперсные системы Ø > 10 мкм. 2. По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды: • с газовой дисперсионной средой: ж/г, т/г, ((ж+т)/г; • с жидкой дисперсионной средой: г/ж, ж/ж, т/ж; • с твердой дисперсионной средой: г/т, ж/т, т/т. 3. По характеру взаимодействия частиц ДФ и молекул дисперсионной среды: • лиофильные системы; • лиофобные системы. 4. По характеру взаимодействия частиц ДФ: • свободнодисперсные (бесструктурные) системы; • связнодисперсные (структурированные) системы.
ПИЩЕВЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ Пищевые эмульсии: ж/ж: молоко, сливочное масло, сметана, кремы, желток яичный. Пищевые пены: г/ж: молочный коктейль, газированные напитки, пиво. г/т: хлеб, кондитерские изделия, зефир. Пищевые аэрозоли (образуются в технологическом процессе): ж/г: молоко в процессе распылительной сушки. т/г: мучная пыль, сахарная пыль. Пищевые порошки: т/г: мука, сахарный песок и пудра, сухой кисель, яичный порошок Пищевые суспензии, золи, пасты и др. : т/ж: нерафинированное масло, кетчуп, протертые супы, растворы крахмала и белков ж/т: колбасный фарш, сырковая масса, пасты, паштеты. т/т: мышечная ткань, шоколад, замороженное сливочное масло
7. 2 Параметры дисперсных систем 1. Поперечный размер (d). 2. Дисперсность (D) 3. Удельная поверхность (Sуд): • для шарообразных или • для цилиндрических • для пластинчатых 4. Кривизна поверхности (Н) :
7. 3 Способы выражения концентрации дисперсных систем 1. Численная : 2. Массовая : 3. Объемная:
7. 4 Методы получения ДС 7. 4. 1 Получение лиофильных ДС 1. Растворы ВМС. В 2 стадии: • набухание (ΔН< 0) – движущая сила – энтальпийный фактор; • растворение (ΔS > 0) – движущая сила – энтропийный фактор. 2. Коллоидные дисперсии ПАВ образуются при С>ККМ. ККМ – критическая концентрация мицеллообразования
7. 4. 2 Методы получения лиофобных дисперсных систем A. Метод диспергирования. Правило Кирпичева-Кика: Wдр=k. V Правило Риттингера: Wизм= σ*ΔS Wдисп = Wдр + Wизм= k. V + σ*ΔS
1. Для твердых тел: • механическое диспергирование; Валковая дробилка Жернова
• действие ультразвуком (ν > 20 к. Гц);
• электрогидравлическое диспергирование металлов (метод Бредига); • химическое диспергирование (пептизация). 2. Для жидкостей: • встряхивание; • применение перемешивающих устройств (смесителей);
• использование гомогенизаторов;
• электрическое диспергирование; • самопроизвольное диспергирование жидкости при температурах, близких к КТР; • введение в систему из двух несмешивающихся жидкостей специальных эмульгаторов – поверхностно -активных веществ.
3. Для газов: • барботирование;
• одновременное течение жидкости и газа под давлением через диспергирующие устройства – пористые фильтры, тонкие трубки, сопла и т. д. Б. Метод конденсации 1. Химический метод. 2. Физико-химический метод: • метод замены растворителя; • создание пересыщенной системы путем понижения температуры или путем повышения давления; • двухстадийный метод изменения температуры, при котором вещество или раствор нагревают с образованием пара, затем охлаждают (аэрозольный метод, распылительная сушка и другие).
7. 5 Методы очистки дисперсных систем 1. Диализ и электродиализ 2. Ультрафильтрация. 3. Ценрифугирование и ультрацентрифугирование.
7. 6 Факторы устойчивости дисперсных систем При проведении технологических процессов с участием ДС всегда приходится решать противоположные задачи – стабилизировать ДС или, наоборот, разрушать ее. Несмотря на особенности методов стабилизации и разрушения для каждого типа ДС, все они опираются на определенные общие принципы. Различают 2 вида устойчивости ДС (Н. Н. Песков 1917 г. ): • агрегативная устойчивость – это способность ДС противостоять процессам, приводящим к уменьшению ее свободной поверхностной энергии путем сохранения степени дисперсности; • седиментационная устойчивость – это способность частиц ДФ находиться во взвешенном состоянии под действием броуновского движения.
А. Факторы устойчивости. 1. Электростатический фактор: • образование двойного электрического слоя на твердых частицах ДФ
Строение ДЭС и изменение потенциала при удалении от поверхности твердой частицы ДФ
• адсорбция ионогенных ПАВ и полиэлектролитов на границе раздела фаз в эмульсиях (а) и в пенах (б)
2. Адсорбционно-сольватный фактор – адсорбция макромолекул полимеров и молекул неионогенных ПАВ на границах раздела фаз и образование сольватных оболочек вокруг частиц ДС
3. Структурно-механический фактор
4. Энтропийный фактор S = R∙ln w 5. Гидродинамический фактор. Б. Разрушение ДС происходит при ослаблении факторов устойчивости Теория ДЛФО (Б. В. Дерягин, Л. Д. Ландау, Е. Фервей, Дж. Овербек) Агрегативная устойчивость ДС определяется балансом сил: • электростатического отталкивания с энергией Еотт˃0; • ван-дер-ваальсовы силы притяжения с энергией Епр˂0.
• Действие электростатического фактора стабилизации может быть снижено или нейтрализовано путем добавления электролитов, ионы которых вызывают существенные изменения в структуре ДЭС. • Адсорбционно-сольватный фактор можно исключить, если разрушить сольватные оболочки частиц ДФ путем лиофобизации их поверхности, а также осуществив десорбцию стабилизатора - молекул ПАВ – из поверхности. • Структурно-механический фактор может быть устранен путем разрушения пленок на поверхности частиц ДФ. Для этой цели в ДС добавляют растворитель, который растворяет пленку, или химически реагент, который реагирует с веществом пленки и разрушает ее. • Действие гидродинамического фактора можно снижать путем уменьшения вязкости ДС. Для этого ДС нагревают или добавляют растворитель, имеющий меньшую вязкость.
7. 7 Свойства дисперсных систем А. Молекулярно-кинетические свойства. 1. Диффузия. Закон Фика 2. Броуновское движение
3. Диффузионно-седиментационное равновесие. Формула Стокса: Гипсометрический закон Лапласа: , где 4. Осмотическое давление.
5. Мембранное равновесие Доннана.
Б. Оптические свойства. Видимая часть спектра излучения 400… 700 нм. Рассеяние ‒ при r / λ< 0, 05; отражение ‒ при r> λ ; поглощение ‒ при окрашенных частицах ДФ.
Уравнение Рэлея: , где Закон Бугера-Ламберта-Бера: 1. Эффект Фарадея-Тиндаля. 2. Опалесценция. 3. Окраска.
В. Электрокинетические свойства. 1. Электрофорез. 2. Электроосмос. 3. Эффект Дорна (возникновение потенциала седиментации). 4. Эффект Квинке (возникновение потенциала течения).
